centrais elétricas: Hidrelétricas e Termelétricas

Paulo Moisés Almeida da Costa
Produção de Energia Eléctrica
Escola Superior de Tecnologia de Viseu - 1999

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• A energia é hoje, sem qualquer dúvida, um bem essencial e
indispensável ao ser humano.
• De entre os diferentes tipo de energia que o homem utiliza,
a energia eléctrica tem, sem sombra de dúvida, uma
preponderância acentuada.
• A maior quantidade da energia eléctrica é produzida em
instalações próprias para o efeito a que se dá o nome de
centrais de produção de energia eléctrica.
• Uma central eléctrica é uma instalação capaz de converter
energia mecânica obtida a partir de outras fontes de
energia primária em energia eléctrica.
• A energia primária pode advir da energia armazenada na
água, (potencial gravítica e cinética), da combustão de
carvão, gás natural, fuel, resíduos florestais, ou qualquer
outro combustível adequado, do vento, do mar, do sol, da
fissão nuclear…
• A produção da energia eléctrica fica a cargo de geradores
eléctricos, que podem ser de corrente contínua ou de
corrente alternada. De entre os últimos, temos as máquinas
síncronas e as máquinas de indução.
• Sem dúvida que a grande maioria da energia eléctrica
produzida no mundo é produzida pelas máquinas síncronas.

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• As máquinas geradoras de energia eléctrica são accionadas
pelas máquinas primárias ou turbinas, as quais podem ser
hidráulicas, de gás, …
• Ao conjunto Turbina-Gerador dá-se o nome Grupo Gerador.
• Existem diversos tipos de centrais produtoras de energia
eléctrica, umas mais convencionais, outras de tecnologia
mais recente e que procuram aproveitar novas formas de
produzir energia de forma mais económica e/ou mais
ecológica que a queima de combustíveis fósseis.
• Neste último ponto incluem-se os aproveitamentos eólicos,
solares, geotérmicas, maremotrizes, hidráulicos de dimensão
reduzida (micro-aproveitamentos e pequenos
aproveitamentos), cogeração, …
• O aproveitamento de outras formas de energia prende-se
também com problemas ligados com a diversificação e
redução da dependência energética de determinados países
bem como com o futuro desaparecimento dos combustíveis
fósseis.
• Portugal é um país muito dependente do exterior em termos
de energia, importando cerca de 80% da energia que
necessita , sendo o petróleo responsável por cerca de 85%
dessas importações.

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• Para além dos custos financeiros e de risco que têm os
combustíveis fósseis para países como Portugal, em termos
ambientais esta é uma fonte de energia altamente poluidora,
além de não renovável.
• Os custos de risco para países como Portugal ligam-se com
eventuais crises petrolíferas como as sucedidas na década
de 70.
• Tendo em conta o exposto é perfeitamente compreensível
que o nosso país procure diminuir a sua dependência do
petróleo diversificando as fontes primárias de energia.
• Com tal intuito, têm-se vindo a introduzir em Portugal o gás
natural, bem como a apoiar (financeiramente) a construção
de pequenos aproveitamentos hidroeléctricos e de
cogeração, bem como aproveitamentos de outras formas de
energia.

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• Centrais Hidroeléctricas:
• Nas centrais com grandes albufeiras, a energia potência
gravítica da água é transformada em energia cinética a qual
por sua vez é transformada nas turbinas hidroeléctricas em
energia mecânica que finalmente será transformada em
energia eléctrica nos geradores.
• As albufeiras das centrais hidroeléctricas são construídas
sobre o leito de rios, mas o edifício onde se instalam os
equipamentos produtores de energia podem estar mais ou
menos afastados da albufeira.
• A albufeira que pode ter maior ou menor capacidade de
armazenamento de água a qual será depois turbinada.
• Note-se que, para que se possa instalar uma central
hidroeléctrica para a produção de energia é necessário que
se encontrem as condições geográficas ideais, e ainda que
se respeitem certas condições ambientais e outras como por
exemplo conservação de património.
• São as centrais em que se
aproveita a energia potencial
gravítica e/ou cinética da
água.

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• A figura que se segue mostra uma central hidroeléctrica
onde se pode observar que o edifício onde estão instaladas
as máquinas produtoras de energia se encontra
relativamente afastado da albufeira.
• Este procedimento, justifica-se pela necessidade de
aumentar a queda útil da água, a qual directamente
influência a quantidade de energia que se pode produzir,
como veremos.
• Obviamente, a distância entre os grupos geradores e a
albufeira pode assumir um qualquer valor de entre aqueles
que são técnico-economicamente aceitáveis.
• Não podemos esquecer-nos que a abertura de um túnel para
condução da água até aos grupos geradores representa
custos muito elevados, que têm de ser compensados pelo
aumento da energia contida na água resultante de uma maior
queda.

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• Note-se também que, a conduta de ligação entre a
albufeira e os grupos geradores pode não ser constituída por
um túnel subterrâneo mas sim por uma conduta metálica
(aço), á superfície.
• A albufeira de uma central hidroeléctrica é um sistema de
armazenamento de energia, uma vez que a água só será
turbinada consoante as necessidades do sistema a que a
central se interliga.
• Por vezes a albufeira funciona também como reserva
estratégica, não só de energia como também de água para
regas e consumo humano.
Escavação de um túnel para
instalação de conduta forçada
uma central hidroeléctrica.
Vista aérea da represa
Caonillas en Utuado, Porto Rico, onde
se vê a albufeira e á direita, a
conduta forçada á superfície.

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• Existem centrais hidroeléctricas dotadas de uma capacidade
especial que consiste na possibilidade de bombearem parte
da água já turbinada de novo para a albufeira.
• Estas centrais são dotadas de duas albufeiras a cotas
distintas tais que aquela que possui menor cota armazena
parte da água que sai da albufeira de maior cota, a qual já
foi turbinada, para mais tarde ser bombeada de novo para
esta. Nas horas de maior solicitação de energia, a água da
bacia superior é turbinada e depois retida na albufeira
inferior e nas horas de vazio bombeada para a bacia
superior usando a turbina como motor, se esta for
reversível, ou então o próprio alternador.
A Aguieira, aqui bem perto
de nós…
Imagem retirada do site da
EDP, cujo endereço é:
http://www.edp.pt/edp/gr
upo_edp/grupomain.htm

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• Como já referimos, as centrais hidroeléctricas transformam
a energia potencial gravítica da água em energia eléctrica.
• Mas afinal como se pode estimar a quantidade de energia de
uma determinada quantidade de água?
• A quantificação da energia que se estima produzir através
de construção de um aproveitamento hidroeléctrico depende
do valor da potência a instalar e do número de horas que se
estima para o funcionamento da central.
• Por outro lado, a potência a instalar depende do valor da
queda, ou desnível topográfico conseguido na implantação da
obra, e do caudal, o qual, como é óbvio varia com o tempo.
• Deve-se assim estudar com adequado rigor a conjugação
destas duas variáveis, de forma a garantir que a sua
combinação proporcione valores de potência e de energia
úteis que justificam, do ponto de vista económico a
construção de um determinado aproveitamento
hidroeléctrico.
• Como sabemos das leis da física, uma massa de água m,
situada a uma altura h, possuí, uma energia potencial
gravítica dada pela expressão:
Ep = m*g*h

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onde m é a massa de água, g a aceleração da gravidade e h
a altura bruta da queda de água.
• Teoricamente, a potência a instalar seria:
onde Pt é a potência teórica a instalar, V o volume de
água, r a massa volumica da água e dV/dt = Q é o
caudal.
• Claro que a potência útil não é igual ao valor da potência
teórica, uma vez que o sistema tem perdas de energia no
circuito hidráulico (nas condutas, grelhas, e nas turbinas),
as quais são expressas através da diminuição do valor da
queda bruta, obtendo-se um novo valor de queda a que se
designa por queda útil.
• Além disso, o próprio gerador tem também perdas.
dt
dV
r
h
g
dt
h
g
m
d
dt
E
d
P
p
t *
*
*
)
*
*
(
)
(




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• Assim, a potência útil Pu é dada pela expressão:
Pu = r * g *  * hu * Q
onde  é o rendimento do gerador e hu a queda útil.
• A queda útil é dada pela expressão:
hu = h - hp
em que hp representa a perda de energia ao longo do
circuito hidráulico, incluindo a turbina.
• Assim a energia será quantificada por :
 

 Qdt
h
g
r
dt
P
E u
u
p *
*
*
* 

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• Como facilmente nos apercebemos, a partir do exposto
anteriormente, a potência e a produção de energia de uma
central hidroeléctrica depende dos caudais ocorridos e da
queda útil do empreendimento.
• Mais ainda, no estudo para implementação de uma central
deste tipo não basta caracterizar a variabilidade de
ocorrência dos caudais no que respeita à sua magnitude, mas
também o intervalo de tempo em que os mesmos ocorrem.
• Fácil é de compreender que uma caudal de grande magnitude
não é bom se ocorrer durante períodos de tempo muito
curtos.
• O estudo técnico-económico que antecede a construção de
uma central hidroeléctrica tem, forçosamente que incluir
uma parte dedicada á evolução dos valores dos caudais.
• Se admitirmos que a massa volúmica da água é de 1000
Kg/m3, que a aceleração da gravidade é de 10 m/s2 e que o
rendimento global do sistema é de 80 %, temos que:
Pu = 8000*Q*h (W) = 8*Q*h (kWh)

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• A partir desta expressão, podemos com facilidade concluir
que para um mesmo caudal, a potência será tanto maior
quanto maior for a queda.
• Assim se justifica que por vezes se tenham de abrir
condutas subterrâneas, ou construí-las á superfície, ficando
os grupos geradores mais ou menos afastados da albufeira
em função dos estudos técnico-económicos, das condições
geográficas e eventualmente outras.
• A figura que se segue apresenta, em corte, a estrutura
básica de uma central hidroeléctrica:

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• .
Imagem digitalizada a partir de um folheto promocional da ABB

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• Mais uma representação em corte de uma hidroeléctrica,
onde se destaca a conduta forçada.
Fonte: http://www.fe.up.pt/~leec2002/cadeiras/see1/see.html

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• A imagem que se segue mostra a estrutura de uma
hidroeléctrica equipada com uma turbina pelton

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• Idem mas com turbina Francis.

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Idem com uma turbina Kaplan.

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• Diferentes tipos de retenção de água...

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• A figura que se segue mostra uma central hidroeléctrica
com bombagem de água:

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• Os aproveitamentos hidroeléctricos podem ser divididos em
dois grandes grupos em função da sua capacidade de
armazenamento de água. Os aproveitamentos de albufeira os
quais possuem um reservatório onde se pode armazenar uma
considerável quantidade de água e os aproveitamentos a fio
de água cujo reservatório tem dimensões reduzidas ou não
existe.
Fonte: http://www.edp.pt/edp/grupo_edp/grupomain.htm

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1

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• O mapa que se segue mostra os grandes centros produtores
de energia eléctrica do nosso país. (Não se incluem os
pequenos aproveitamentos independentes).

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• Centrais térmicas convencionais:
• As centrais térmicas são instalações onde a energia
mecânica necessária para colocar em movimento o rotor do
gerador eléctrico se obtém a partir do vapor formado na
ebulição de água numa caldeira.
• O vapor gerado na caldeira tem uma pressão elevada a qual
é aproveitada para, na expansão do vapor, accionar a
turbina que converterá a energia do vapor em energia
mecânica.
• A designação centrais térmicas convencionais surge para que
estas possam ser distinguidas das centrais térmicas
nucleares.
• As centrais térmicas convencionais usam como fonte de
energia o carvão, o fuel, gasóleo, o gás natural,... cuja
energia térmica, libertada na sua combustão, é aproveitada
para transformar água no estado líquido em vapor.
• Uma central térmica convencional básica tem na sua
constituição três elementos essenciais que são a caldeira, a
turbina e o gerador.
• Facilmente se percebe que a caldeira é um elemento
essencial pois é nela que se produz o vapor essencial ao
processo.

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• O princípio de funcionamento de uma central térmica pode,
com facilidade ser compreendido através das figuras que se
seguem:
Turbinas
Gerador

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• .

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• O condensador é também um elemento importante na
constituição de uma central termoeléctrica, pois é ele que
permite efectuar um arrefecimento do vapor que circula no
circuito fechado, após este se ter expandido nas turbinas.
• Como sabe das leis da termodinâmica, o calor migra das
zonas mais quentes (fontes) para as mais frias
(sorvedouros), sendo tanto maior a transferência de energia
associada a esta migração quanto maior for a diferença de
temperatura entre a fonte e o sorvedouro.
• Assim, o arrefecimento criado pelo condensador
(sorvedouro) é importante pois tal permite aumentar a
energia associada ao vapor que se desloca do ponto de
produção do vapor (fonte) para o ponto em que este é
recolhido e arrefecido (sorvedouro).
• A figura que se segue mostra alguns condensadores em
actividade:

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• Note-se que o fumo que sai das torres que constituem os
condensadores não é mais que vapor de água.
• As figuras que se segue mostra uma central térmica, na
qual se pode ver o condensador ao lado esquerdo.

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• AS CENTRAIS TÉRMICAS E AS SUAS IMPLICAÇÕES
AMBIENTAIS.
• Uma central térmica é uma instalação que transforma a
energia libertada pela combustão de combustíveis fósseis em
energia térmica a qual ao accionar uma turbina se
transforma em energia mecânica e esta, finalmente acciona
o gerador eléctrico.
• Neste processo 65% da energia é desperdiçada sob a forma
de calor e de contaminação.
• Assim, só um terço da potência inicial do processo é
utilizada como potência eléctrica.
• Portanto, uma central térmica que possui uma potência de
330 MW, na realidade a sua potência térmica é de
aproximadamente 1000 MW.

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• A contaminação destas centrais consiste na emissão de
gases pelas chaminés e posterior retorno ao solo a
distâncias impensáveis bem como na libertação de grandes
quantidades de água de refrigeração no mar ou num rio.
• Os gases contaminantes são:
• Dióxido de enxofre (SO2).
• Óxidos de nitrogénio (Nox).
• Partículas de metais pesados.
• Dióxido de carbono (CO2)
• A tabela que se segue mostra os efeitos produzidos sobre a
saúde e sobre o meio ambiente.
• Produtos Efeitos
• SO2 Chuva ácida. Edemas pulmonares.Morte com alta exposição
• NOx Problemas respiratórios e pulmonares
• Partículas Problemas respiratórios, renais,e ósseos
• CO2 Alterações climáticas.

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Links consultados:
http://www.cfe.gob.mx/internacional/fotos/foto9.html
http://educom.sce.fct.unl.pt/~e4smaria/eaptindx.htm
http://netdial.caribe.net/~jrbaspr/plantas.html
http://www.edp.pt/edp/grupo_edp/grupomain.htm
http://www.fe.up.pt/~leec2002/cadeiras/see1/see.html

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